Abū Bakr al-Karajī · 约953–约1029

卡拉吉

他把代数从图形里搬了出来,晚年回山里写了一本找水的书

13+23++n3=(1+2++n)21^3 + 2^3 + \cdots + n^3 = (1 + 2 + \cdots + n)^2
立方和 · 他的证法是把边长 1+2+⋯+n 的正方形一层层剥开,剥下的每一层正好是一个立方 · 原书已佚,今天读到的是一百多年后萨马瓦尔《光辉》里的转述

阿布·伯克尔·穆罕默德·本·哈桑·卡拉吉约 953 年生,约 1029 年卒——两个数都只是「约」,各家所记的卒年从 1016 年以后一直排到 1029 年。名号里的「卡拉吉」指卡拉季,德黑兰附近的一座城,当时属山地一带;可最早把他的书译成欧洲文字的沃普克读作「卡尔赫」,那是巴格达城南的一个近郊——一个字母决定他是山里来的波斯人,还是土生的巴格达人,这场官司打了八十年,展品里有一件专讲它。能定年的是他在巴格达的那几年:1011 至 1016 年间,法赫尔·穆尔克以布韦希王朝的维齐尔身份治理巴格达,卡拉吉在城里任职(具体职位说不准),三部数学书大抵都写在这一段。其中《法赫里》题献给这位维齐尔,书名就取自他的名号;1016 年 9 月,这位赞助人被苏丹·道莱处死。

他做成的那件事,一句话说得完:把代数从图形里搬出来。花拉子米解二次方程要靠一个正方形加两个矩形,每一步都得画得出来;卡拉吉不再画。他把未知数的幂排成一道两头都不到头的阶梯——x、x²、x³……以及 1/x、1/x²……——再规定它们怎么加减乘除,像对待数一样对待它们。《法赫里》里三分之一以上的题目取自丢番图的《算术》(九世纪由库斯塔·本·鲁加译成阿拉伯文),希腊人的不定方程与花拉子米一系的方程术,在这本书里合到了一处。他还留下了已知最早的一个带归纳骨架的证明:前 n 个立方数之和,等于前 n 个数之和的平方。晚年他离开巴格达回到山地,换了一个题目:怎么找到地下水,怎么把它引出来。《地下水的开发》是他最后一部书,今人称它可能是现存最早的一部地下水专著。他的代数原书反倒吃了亏——立方和与二项系数表那一部分出自一部已经失传的书,今天读到的全是一百多年后萨马瓦尔在《光辉》里的转述。

卡拉吉肖像
《地下水的开发》1674 年抄本第 82 页 · 宾夕法尼亚大学图书馆 LJS 399,Wikimedia Commons,公有领域。他没有画像传世——Commons 上带他名字的另外两张都是今人作品,许可也不合。这一页上可读的字句是「两人或两座山顶之间的距离」与「仪器上的相似三角形」,图正是一个大直角三角形套着两个小方框:用近处量得出来的短边,推远处量不出来的长边。末尾一行红字另起新的一节。整部抄本一百零三页,画着十四幅朱墨两色的图,这是其中最像一道几何题的一幅。

生平

  1. 约953

    生年无确据。一说卡拉季(今德黑兰附近),一说巴格达城南的卡尔赫——两说之差只在名号的一个字母上。

  2. 9世纪
    此前:丢番图译成阿拉伯文

    库斯塔·本·鲁加译《算术》。《法赫里》里三分之一以上的题目由此而来。

  3. 1011
    法赫尔·穆尔克治巴格达

    布韦希王朝的维齐尔。卡拉吉这几年在巴格达任职,三部数学书大抵写在此时。

  4. 约1011–16
    《法赫里》

    题献给法赫尔·穆尔克,书名取自他的名号。幂的阶梯两头无穷、多项式的四则、丢番图式的不定方程都在这本书里。

  5. 约同期
    《算术之妙》与《算术之足》

    前者讲根式的算术与多项式开平方,把《原本》第十卷改写成可以计算的东西;后者是一部给实务人用的算书。

  6. 1016
    赞助人被处死

    9 月,法赫尔·穆尔克为苏丹·道莱所杀。

  7. 约1016后
    回到山地

    雷伊、哈马丹、伊斯法罕一带,那里到处是暗渠。他从此不再写代数。

  8. 约1017–29
    《地下水的开发》

    七部二十五章:地下水从哪里来、水质怎么辨、暗渠的法度与工法、测量的仪器,末章是给测量者的叮嘱。

  9. 约1029

    卒年各家不一:宾夕法尼亚大学的著录写「约 1016 年后」,另有 1019、1029 诸说。

  10. 约1150
    萨马瓦尔《光辉》

    他大段引录卡拉吉,并把幂排成一张带序号的表,负指数也进去——指数相加这件事到此才看得见。立方和那一段今天只存于这部转述。

  11. 1853
    沃普克《法赫里摘要》

    巴黎出版,他的代数第一次进入欧洲语言。书里读作「卡尔赫」,此后大半个世纪欧洲都这么叫他。

  12. 1933
    德拉维达主张读「卡拉吉」

    1994 年拉希德、2002 年铃木都跟从这一读法;今天通行的是「卡拉吉」。

  13. 1940
    《地下水的开发》首次印行

    海得拉巴。1966 年有波斯文译本,1973 年有法文译本,1997 年在开罗重校。

展品厅

绝大多数展品都可以亲手把玩——这是本馆的立馆之本;少数以叙述为主的,做成故事展签。

镇馆之宝 · 亲手玩

一块正方形,剥一层就是一个立方

1³+2³+⋯+n³ 等于 (1+2+⋯+n)²。他的证法是把边长 1+2+⋯+n 的正方形一层层剥开——剥下的每一层,正好是一个立方数。

(i=1ni)2(i=1n1i)2=n3\left(\sum_{i=1}^{n} i\right)^2 - \left(\sum_{i=1}^{n-1} i\right)^2 = n^3

这是他留下的最漂亮的一件东西,也是数学归纳法最早的一处骨架。结论本身很好写:前 n 个立方数之和,等于前 n 个数之和的平方;n = 10 时,两边都是 3025,而 3025 = 55²。难的是证。他的走法是画一个边长 S(10) = 1+2+⋯+10 = 55 的正方形,然后从两条边上剥掉一层宽 10 的曲尺形。这一层由两个长方形加一个小正方形拼成,面积是 2×10×(1+2+⋯+9) + 10² = 900 + 100 = 1000,正好是 10³。剥掉它,剩下的还是一个正方形,边长 1+2+⋯+9;同一句话再说一遍,剥下 9³;一直剥到只剩一个 1×1 的格子,那是 1³。于是整个正方形被切成了 1³ 到 10³ 这十块——这就是结论。换个算法更省事:S(n) + S(n−1) = n²,S(n) − S(n−1) = n,两者相乘就是 S(n)² − S(n−1)² = n³,一行就完了,可那样就看不见那一层层的曲尺了。要紧的是论证的形状:起点(n = 1 时 1 = 1³)成立,而由第 n 格能退到第 n−1 格——今人(卡茨)指出,现代归纳法的两个基本部件都在这里,只是方向是从 10 往回退,不是从 1 往前推。还有一点值得说清:他写的是 n = 10 这一个具体情形,可整段论证里一步也没有用到「10」这个数,换成任何一个数都照走不误——这正是它够得上「证明」而不只是「验算」的地方。馆里另有一处用了同样的手法:同一代人海什木为了求一个抛物体的体积算到四次方之和,走的是另一条递推的路,也只拿 n = 4 一步步做完,末了说对任何数都一样。没有证据表明两人读过对方的书。原书已经失传,今天读到的是一百多年后萨马瓦尔在《光辉》里的转述。六百年后帕斯卡在《论算术三角形》里把这套推理写成了一种方法、并给了它名分,那是馆里的另一件展品;两件事的分别不在于谁先用,而在于谁先把「这是一种方法」说出口。

拖动 n:看正方形一层层剥下去,每剥一层,右边的账上就多出一个立方数

每一层曲尺由两个 n × (1+2+⋯+(n−1)) 的长方形与一个 n × n 的方角拼成,合起来正好是 ——所以剥一层就记下一个立方数,剥到最后一格是 1³,整块正方形刚好被分完。 他写的是 n = 10 那一个情形(3025 = 55²),可论证里一步也没有用到「10」,换成任何一个数都照走不误。 还有一条一行就完的算法:相邻两个三角形数满足 S(n) + S(n−1) = n² 与 S(n) − S(n−1) = n,两式相乘就是 S(n)² − S(n−1)² = n³;只是那样就看不见这一层层的曲尺了。

幂的阶梯,两头都不到头

财、立方、财财、财立方……名字是一个个拼出来的,序号却是加出来的。只看名字,看不出它在做加法。

xmxn=xm+n(m,nZ)x^m \cdot x^n = x^{m+n} \quad (m, n \in \mathbb{Z})

丢番图的《算术》里,未知数的幂已经各有名字:平方、立方、平方平方、平方立方、立方立方——到六次为止,外加它们的倒数。卡拉吉把这道阶梯两头都推到没有尽头:x、x²、x³ 一直上去,1/x、1/x² 一直下来,每一格都是合法的对象,可以相加、相减、相乘、相除。这一步看着朴素,分量却很重:在他之前,x² 是一个正方形的面积、x³ 是一个立方体的体积,x⁴ 没有图形对应,于是也就没有立足之地;他把幂从图形里摘出来,代数才有了自己的东西可算,多项式才成了能搬来搬去的对象。有意思的是名字。他沿用的是加法式的拼法:「财」(māl)是 x²,「立方」(ka’b)是 x³,于是「财财」是 x⁴,「财立方」是 x⁵——2+3 = 5。规则是对的,可写成话就看不见了:「财乘立方得财立方」这句里没有任何地方在做加法,数是在词的背后悄悄相加的。所以他给的乘法规则只能一格一格数着走,说不出「指数相加」这四个字。这件事要等七十年后的萨马瓦尔:他把幂排成一张带序号的表,负的那一头也编上号,「两个幂相乘就是序号相加」这才第一次摆在明面上。至于用字母写出指数、让这条规则一眼可见,还要再等六百年——韦达与笛卡尔。而且欧洲那一支还得把维数的账另勾销一遍:韦达仍守着齐次律(同类才能相加),要到 1637 年笛卡尔证明「线段乘线段还是线段」才拆掉,馆里有那一件。

名字是加法式拼出来的:是 x²、立方是 x³,所以财立方是 x⁵。 规则是对的,可写成话就看不见了——「财乘立方得财立方」这一句里,2+3=5 藏在词的背后,于是他只能一格一格数着走,说不出「指数相加」四个字。 要等七十年后的萨马瓦尔把幂排成一张带序号的表、负的那一头也编上号,两个幂相乘就是序号相加这件事才第一次摆在明面上。 这里只画到正负六次:再往上,名字的拼法就不止一种了,把没把握的东西画成确定的样子是错的。

一个多项式怎么开平方

先定最高次那一项,再逐项往下定。与开一个数的平方根是同一套手续,只是每一位换成了一项。

x4+4x3+10x2+12x+9=x2+2x+3\sqrt{x^4 + 4x^3 + 10x^2 + 12x + 9} = x^2 + 2x + 3

《算术之妙》里第一次讲了带未知数的多项式怎么开平方。拿 x⁴ + 4x³ + 10x² + 12x + 9 来说:最高次是 x⁴,它的平方根是 x²,先把 x² 记下;剩下 4x³ + 10x² + 12x + 9,拿它的头一项除以已定部分的两倍,4x³ ÷ 2x² = 2x,根成了 x² + 2x;再拿 P 减去 (x²+2x)²,余下 6x² + 12x + 9,头一项除以 2x² 得 3,根成了 x² + 2x + 3,这一次余式是零。每一步只做一件事——余式的头一项除以已定部分的两倍——与开一个数的平方根逐位试商是同一套手续,只是「位」换成了「项」。不是完全平方时也照走不误,最后剩一个余式:把常数项从 9 改成 10,算出来的根不变,余式是 1。这件事为什么会出现在一本讲算术的书里?因为他要做的是把《原本》第十卷搬进算术。第十卷那十三类无理量全是按线段讲的,是几何;要改写成可以计算的东西,就得会对根式做四则,也得会对多项式开方。四百年后阿尔·卡西在《算术之钥》里逐位开五次方,用的还是这一套的数字版本——馆里那一件与这一件,是同一套手续的两个面。

每一步只做一件事:余式的头一项,除以已定部分的两倍;定下一项,再用 P 减去已定部分的平方,得到新的余式。 这与开一个数的平方根逐位试商是同一套手续,只是「位」换成了「项」——四百年后阿尔·卡西在《算术之钥》里逐位开五次方,用的还是它的数字版本。 换到第二个例子看看:常数项从 9 改成 10,根一个字都没变,只是最后余下 1。 不是完全平方时算法照走不误,给出的是最接近的那个平方;他要的正是这个,因为《原本》第十卷那一整套无理量,改写成算术之后就得靠它来算。

什么时候两个根号能合成一个

√8 + √18 = √50,可 √2 + √3 无论如何写不成一个根号。分界只在一处:ab 是不是平方数。

a+b=a+b+2ab\sqrt{a} + \sqrt{b} = \sqrt{a + b + 2\sqrt{ab}}

《原本》第十卷是全书最长也最难的一卷,把无理量分成十三类,一类一个名字,全是按线段讲的:某条线段与某条线段可公度、平方可公度、加起来是「二项和」……卡拉吉要做的是把这一整套改写成算术——不再问线段,直接问数怎么算。这里有一道现成的题:两个根号相加,什么时候还是一个根号?把它平方就看见了,(√a + √b)² = a + b + 2√(ab),所以能不能合成一个根号,全看 √(ab) 是不是有理数。√8 + √18:ab = 144 = 12²,平方是 26 + 24 = 50,于是 √8 + √18 = √50,两边现算都是 7.0710678119。√2 + √3:ab = 6 不是平方数,平方是 5 + 2√6 = 9.8989794856,带着一个甩不掉的 √6,写不成一个根号——欧几里得管这一类叫「二项和」,在第十卷里它是一整类量的名字,而不是某个算不出来的怪东西。这件事的分量在于观念的转向:根号从此不再只是一条量不尽的线段,而是一个能参加运算的数。往后走,这条路通向的是解方程时对根式的自由摆弄——卡尔达诺、邦贝利手里那些「精妙到无用」的式子,前提正是有人先把根式变成了可以算的东西。

这是 (√a + √b)² = a + b + 2√(ab) 的那张老图:角上两块是 a 与 b,永远是整数;中间两块各是 √(ab),不一定是。 所以两个根号能不能合成一个,全看 ab 是不是平方数——√8 + √18 里 ab = 144 = 12²,加起来正好 50;√2 + √3 里 ab = 6,平方带着一个甩不掉的 √6。 欧几里得在《原本》第十卷里给后一类起了名字,叫「二项和」,一整卷都在按线段分类;卡拉吉做的是把这一套改写成算术,让根号成为可以参加运算的数。

三公里的渠,只降两米半

暗渠得有坡才流得动,坡大了又会把渠底冲垮。通常取 1:1000 到 1:1500——三公里只降两米半,画在剖面图上不到半个像素。

s=ΔhL1100011500s = \frac{\Delta h}{L} \approx \frac{1}{1000} \sim \frac{1}{1500}

他晚年那本《地下水的开发》讲的是暗渠:从山脚的含水层挖一条几乎水平的隧道,把水引到几公里外的田边,沿途每隔二三十米打一口竖井,用来出土、通风与检修,最深的那一口叫母井。全部靠重力,所以一切系于坡度,而坡度有两头的难处:陡了水流得快,冲刷渠底,年久会塌;平了泥沙落下来,年年要淘。通行的取法是 1:1000 到 1:1500,长渠几乎就是水平的。这些数放在一起是很吓人的:三公里的渠按 1:1200,全程落差 2.5 米;把它画成 560 像素宽的剖面图,一个像素就是 5.36 米,2.5 米的落差只有 0.47 个像素——而一口 100 米深的竖井在同一比例下有 18.7 像素。所以凡是这类剖面图都得把纵向另放大一个倍数,图上注明放大了多少,否则那条渠看上去就是一条水平线。难处也正在这里:一个在图上都画不出来的坡,要在地下几公里之内保持住,靠的全是测量。他书里后面几章讲的就是这个——一块带刻度的板、链、标杆,还有一件他自称是自己造的仪器;肖像位上那一页画的正是这套办法:一个大直角三角形套着两个小方框,用近处量得出来的短边,推远处量不出来的长边。同一类办法在中国叫重差,刘徽用它量海岛的高与远,馆里另有一件。他连法度也写了:井的保护带 40 肘(约 20 米),渠的保护带 500 肘(约 250 米)。今天列入世界遗产的加萨贝渠是这门手艺的极端:全长 33113 米,427 口竖井,母井深约 300 米——427 口摊到 33 公里,平均 78 米才有一口。

全靠重力,所以一切系于坡度,而坡度两头都有难处:陡了水快,冲刷渠底;平了泥沙落下来,年年要淘。 通行的取法是 1:1000 到 1:1500,长渠几乎就是水平的——三公里按 1:1200,全程只降 2.5 米。 母井要挖多深不是随便定的:它等于地面的落差减去渠自己的落差,所以拖长渠长、或者把坡放平,母井就得更深。 真正难的是测量:一个在图上都画不出来的坡,要在地下几公里之内保持住。他书里后面几章讲的正是这件事——一块带刻度的板、链、标杆,还有一件他自称是自己造的仪器。

卡拉吉,还是卡尔赫?

一个字母决定他是山里来的波斯人,还是土生的巴格达人。而他的代数,靠一百多年后另一个人的转述才留到今天。

阿拉伯文里,这个名号只差一个字母:al-Karajī 与 al-Karkhī,写出来差的是一个点。前者读作卡拉吉,指卡拉季——德黑兰附近的一座城,当时属山地一带;后者读作卡尔赫,那是巴格达城南的近郊。两个读法给出两个不同的人:一个是从伊朗山里来到京城的波斯人,一个是土生土长的巴格达人。1853 年,沃普克在巴黎出版《法赫里摘要》,把他的代数第一次带进欧洲语言,书里读的是「卡尔赫」;此后大半个世纪,欧洲文献里他都叫这个名字。1933 年,语言学家兼史家德拉维达主张应作「卡拉吉」,1994 年拉希德重新审过两边的理由,认为这一读法可信得多,2002 年铃木也取同一说;今天通行的是卡拉吉。顺带一说,沃普克在这座馆里不是第一次出现:1851 年他刚把海亚姆的代数译成法文,两年后轮到这一本——十九世纪中叶的欧洲第一次读到伊斯兰世界的代数,靠的差不多就是这一个人。名字之外,书的遭遇更麻烦。立方和与二项系数表那一部分,出自一部早已失传的著作,今天读到的全是十二世纪萨马瓦尔在《光辉》里的引录——我们读的是转述者的抄本。《地下水的开发》则要等到 1940 年才在海得拉巴第一次印行,比沃普克那本晚了八十七年。一个人写下的东西能不能传下去、先传哪一本、传的时候名字被读成什么,这三件事他一件也管不着。

故事展签故事展签:一个字母的官司,打了八十年。

传承

他的工作没有留在十八世纪——每条链的终点,都是你今天正在使用的东西。

一个正方形剥一层就是一个立方从 n 退到 n−1 的归纳骨架循环不变式与程序的正确性证明:今天的形式验证跑的就是这条推理
幂的阶梯两头都不到头萨马瓦尔把它排成带序号的表多项式成了一个对象:今天计算机代数系统里的多项式求值与化简
多项式像数一样开平方逐项定商与逐位定商是同一套手续数值求根与综合除法:今天数值软件开方求根的标准步骤
把《原本》第十卷改写成算术根式成了能参加运算的数计算器上按下 √ 键得到的那个数,以及课本里的根式化简
丢番图的《算术》译成阿拉伯文《法赫里》里三分之一的题目取自它不定方程传到费马手里,再到今天的椭圆曲线密码
《地下水的开发》里的水准仪把几公里的坡稳住在 1:1000 上今天的水准测量与自流供水的市政工程

语录

我不知道还有哪一门手艺比开发地下水更有益:它让土地兴旺、让人过得好,也带来丰厚的收益。

—— 《地下水的开发》序 · 大意,据阿塔耶-阿什蒂亚尼与西蒙斯 2020 年英译转译

大地连同它的山岭、平原、洼地与高处,是球形的。

—— 同书,讲地下水从哪里来的那几章开头 · 大意,同上

泉、井或湖里的水不可能自己涌起来,除非它的源头在更高的地方。

—— 同书 · 大意,同上。整本书的工程学全系在这一句上